(57)【要約】【課題】燃料電池の製造時において、厚さ方向における電解質の分布状態が意図する分布状態である電極を製造すること。【解決手段】燃料電池の製造方法であって、第１電解質を含む第１電極を、所定の製造条件で製造する工程と、第１電解質膜と、第２電極を用意する工程と、第１電解質膜の一方の面に第１電極が、他方の面に第２電極が配置されて成る第１膜電極接合体において、複数の周波数における交流インピーダンスを測定する測定工程と、各周波数における交流インピーダンスに基づいて、第１電極の厚さ方向の第１電解質の分布を推定する分布推定工程と、第２電解質を含む第３電極を、分布推定工程における第１電解質の分布推定結果に基づいて、製造条件を調整し、製造する第１製造工程と、備える。【選択図】図２
2010108744.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の製造方法であって、
第１電解質を含む第１電極を、所定の製造条件で製造する工程と、
第１電解質膜と、第２電極とを用意する工程と、
前記第１電解質膜の一方の面に前記第１電極が、他方の面に前記第２電極が配置されて成る第１膜電極接合体において、複数の周波数における交流インピーダンスを測定する測定工程と、
各周波数における前記交流インピーダンスに基づいて、前記第１電極の厚さ方向の前記第１電解質の分布を推定する分布推定工程と、
第２電解質を含む第３電極を、前記分布推定工程における第１電解質の分布推定結果に基づいて、前記製造条件を調整し、製造する第１製造工程と、
を備えることを特徴とする製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の製造方法において、
前記製造条件は、前記第３電極の製造過程における乾燥条件を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の製造方法において、
前記第１製造工程は、
前記第２電解質を溶解可能な溶媒と、触媒担持担体と、基材と、を用意する工程と、
前記第２電解質と、前記溶媒と、前記触媒担持担体と、から触媒インクを作成する工程と、
前記触媒インクを、前記基材に塗工し、層状インクを作成する工程と、
前記分布推定結果に基づいて、前記層状インクの前記乾燥条件を調整し、乾燥させる第２製造工程と、
を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の製造方法において、
前記乾燥条件は、
前記層状インクにおいて乾燥させる乾燥面の選択を含むこと特徴とする製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の製造方法において、
前記乾燥条件は、
前記乾燥面上の温度、前記乾燥面上の風速、前記乾燥面上の相対湿度のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする製造方法。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の製造方法において、
前記第２製造工程は、
前記分布推定結果から、前記層状インクにおいて、厚さ方向に前記乾燥面の反対面側よりも前記乾燥面側に前記第２電解質を多く分布させたい場合には、前記層状インクの前記乾燥面において、乾燥速度が速くなるように調整する工程を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項７】
請求項４ないし請求項６のいずれかに記載の製造方法において、
前記第２製造工程は、
前記分布推定結果から、前記層状インクにおいて、厚さ方向に前記乾燥面の乾燥面側よりも前記乾燥面の反対面側に前記第２電解質を多く分布させたい場合には、前記層状インクの前記乾燥面において、乾燥速度が遅くなるように調整する工程を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の製造方法において、
前記分布推定工程は、
各周波数における前記交流インピーダンスに基づいて、複素インピーダンスプロットを検出する工程と、
前記複素インピーダンスプロットに基づいて、前記第１電極の厚さ方向の前記第１電解質の分布を推定する工程と、
を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の製造方法において、
前記測定工程は、
前記第１膜電極接合体の前記第１電極に不活性ガスを導入した状態で、各周波数における前記第１膜電極接合体の交流インピーダンスを測定することを特徴とする製造方法。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の製造方法において、
第２電解質膜と、第４電極とを用意する工程と、
前記第２電解質膜を、前記第４電極および前記第３電極で挟持することにより第２膜電極接合体を製造する工程を備えることを特徴とする製造方法。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の製造方法において、
前記電極は、カソードであることを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電極に電解質を含んだ燃料電池が知られている（下記特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−０７１８８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池の製造時において、厚さ方向における電解質の分布状態が意図する分布状態である電極を製造したいという要望があった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、燃料電池の製造時において、厚さ方向における電解質の分布状態が意図する分布状態である電極を製造する技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
[適用例１]
燃料電池の製造方法であって、第１電解質を含む第１電極を、所定の製造条件で製造する工程と、第１電解質膜と、第２電極を用意する工程と、前記第１電解質膜の一方の面に前記第１電極が、他方の面に前記第２電極が配置されて成る第１膜電極接合体において、複数の周波数における交流インピーダンスを測定する測定工程と、各周波数における前記交流インピーダンスに基づいて、前記第１電極の厚さ方向の前記第１電解質の分布を推定する分布推定工程と、第２電解質を含む第３電極を、前記分布推定工程における第１電解質の分布推定結果に基づいて、前記製造条件を調整し、製造する第１製造工程と、を備えることを要旨とする。
【０００８】
上記構成の製造方法によれば、厚さ方向における電解質の分布状態が意図する分布状態である電極を製造することができる。
【０００９】
[適用例２]
適用例１に記載の製造方法において、前記製造条件は、前記第３電極の製造過程における乾燥条件を含むことを特徴とする製造方法。
【００１０】
このようにすれば、燃料電池の製造時において、厚さ方向における電解質の分布状態が意図する分布状態である電極を容易に製造することができる。
【００１１】
[適用例３]
適用例２に記載の製造方法において、前記第１製造工程は、前記第２電解質を溶解可能な溶媒と、触媒担持担体と、基材と、を用意する工程と、前記第２電解質と、前記溶媒と、前記触媒担持担体と、から触媒インクを作成する工程と、前記触媒インクを、前記基材に塗工し、層状インクを作成する工程と、前記分布推定結果に基づいて、前記層状インクの前記乾燥条件を調整し、乾燥させる第２製造工程と、を含むことを特徴とする製造方法。
【００１２】
このようにすれば、厚さ方向における電解質の分布状態が意図する分布状態である電極を製造することができる。
【００１３】
[適用例４]
適用例３に記載の製造方法において、前記乾燥条件は、前記層状インクにおいて乾燥させる乾燥面の選択を含むこと特徴とする製造方法。
【００１４】
このようにすれば、層状インクにおいて、意図する部分を乾燥させることができる。
【００１５】
[適用例５]
適用例４に記載の製造方法において、前記乾燥条件は、前記乾燥面上の温度、前記乾燥面上の風速、前記乾燥面上の相対湿度のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする製造方法。
【００１６】
このようにすれば、層状インクにおいて、厚さ方向における電解質の分布を意図する状態にすることができる。
【００１７】
[適用例６]
適用例４または適用例５に記載の製造方法において、前記第２製造工程は、前記分布推定結果から、前記層状インクにおいて、厚さ方向に前記乾燥面の反対面側よりも前記乾燥面側に前記第２電解質を多く分布させたい場合には、前記層状インクの前記乾燥面において、乾燥速度が速くなるように調整する工程を含むことを特徴とする製造方法。
【００１８】
このようにすれば、乾燥面からの溶媒の蒸発を推進させることができ、意図通りに蒸発に伴い電解質を乾燥面側に移動させ、乾燥面側に電解質を多く分布させることができる。
【００１９】
[適用例７]
適用例４ないし適用例６のいずれかに記載の製造方法において、前記第２製造工程は、前記分布推定結果から、前記層状インクにおいて、厚さ方向に前記乾燥面の乾燥面側よりも前記乾燥面の反対面側に前記第２電解質を多く分布させたい場合には、前記層状インクの前記乾燥面において、乾燥速度が遅くなるように調整する工程を含むことを特徴とする製造方法。
【００２０】
このようにすれば、乾燥面からの溶媒の蒸発を抑制することができ、蒸発に伴う電解質の移動を抑制し、意図通りに乾燥面の反対面側に電解質を多く分布させることができる。
【００２１】
[適用例８]
適用例１ないし適用例７のいずれかに記載の製造方法において、前記分布推定工程は、各周波数における前記交流インピーダンスに基づいて、複素インピーダンスプロットを検出する工程と、前記複素インピーダンスプロットに基づいて、前記第１電極の厚さ方向の前記第１電解質の分布を推定する工程と、を含むことを特徴とする製造方法。
【００２２】
このようにすれば、厚さ方向における電解質の分布状態を正確に推定することができる。
【００２３】
[適用例９]
適用例１ないし適用例８のいずれかに記載の製造方法において、前記測定工程は、前記第１膜電極接合体の前記第１電極に不活性ガスを導入した状態で、各周波数における前記第１膜電極接合体の交流インピーダンスを測定することを特徴とする製造方法。
【００２４】
このようにすれば、厚さ方向における電解質の分布状態を正確に推定することができる。
【００２５】
[適用例１０]
適用例１ないし適用例９のいずれかに記載の製造方法において、第２電解質膜と、第４電極とを用意する工程と、前記第２電解質膜を、前記第４電極および前記第３電極で挟持することにより第２膜電極接合体を製造する工程を備えることを特徴とする製造方法。
【００２６】
このようにすれば、意図通りの第２膜電極接合体を製造することができる。
【００２７】
[適用例１１]
適用例１ないし適用例１０のいずれかに記載の製造方法において、前記電極は、カソードであることを特徴とする製造方法。
【００２８】
このようにすれば、厚さ方向における電解質の分布状態が意図する分布状態であるカソードを製造することができる。
【００２９】
なお、本発明は、上記した燃料電池の製造方法の他、膜電極接合体の製造方法、または、燃料電池用電極の製造方法等、他の方法発明の態様で実現することも可能である。また、方法発明の態様に限ることなく、装置発明としての態様で実現することも可能である。さらには、それら方法や装置を構築するためのコンピュータプログラムとしての態様や、そのようなコンピュータプログラムを記録した記録媒体としての態様や、上記コンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など、種々の態様で実現することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池における燃料電池セルＣＬの概略構成を示す図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型の燃料電池であり、酸化ガス（例えば、空気）と、燃料ガス（例えば、水素）とを用いて、発電を行う。燃料電池は、複数の燃料電池セルＣＬと、２つのエンドプレート（図示せず）と、２つのターミナル（図示せず）と、２つのインシュレータ（図示せず）と、を備えている。燃料電池は、複数の燃料電池セルＣＬを、ターミナルおよびインシュレータで挟持し、さらにそのサンドイッチ構造を、２つのエンドプレートによって挟持したスタック構造を有している。また、燃料電池は、テンションプレート（図示せず）がボルト（図示せず）によって各エンドプレートに結合されることによって、各燃料電池セルＣＬを、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。
【００３１】
燃料電池セルＣＬは、図１に示すように、電解質膜１１と、膜電極接合体５（以下では、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）５と呼ぶ）と、セパレータ６，７と、シール部材１１０と、を備える。
【００３２】
ＭＥＡ５は、電解質膜１１と、電解質膜１１の両面に配置されるカソード１２およびアノード１３と、カソード１２の外側面に配置されるガス拡散層１４と、アノード１３の外側面に配置されるガス拡散層１５とから成る。
【００３３】
電解質膜１１は、固体高分子材料であるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。なお、電解質膜１１は、フッ素系樹脂に限ることなく、例えば、炭化水素系樹脂で構成されていてもよい。
【００３４】
カソード１２、および、アノード１３は、触媒金属（例えば、白金（Ｐｔ））を担持した担体（例えば、カーボン）と、電解質（例えば、フッ素系樹脂）とから構成される。なお、カソード１２、または、アノード１３に含まれる電解質は、フッ素系樹脂に限ることなく、例えば、炭化水素系樹脂で構成されていてもよい。
【００３５】
ガス拡散層１４，１５は、導電性を有するカーボン製の多孔質部材であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。
【００３６】
燃料電池セルＣＬにおいて各部材を積層する方向を積層方向とも呼ぶ。積層方向は、燃料電池セルＣＬの各部材の厚さ方向と同一の方向である。また、積層方向（厚さ方向）に垂直な方向であり、燃料電池セルＣＬの各部材の面に沿った方向を面方向とも呼ぶ。
【００３７】
セパレータ６，７は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。セパレータ６は、片面において凸部１８ａと凹部１８ｂとが交互に形成された凹凸形状を有している。そして、セパレータ６において、凸部１８ａは、ガス拡散層１４（カソード１２または電解質膜１１）を押圧し、凹部１８ｂは、ガス拡散層１４との間にガス拡散層１４（カソード１２）に対して酸化ガスを給排するためセル内流路１８を形成する。また、セパレータ７は、片面において凸部１９ａと凹部１９ｂとが交互に形成された凹凸形状を有している。セパレータ７において、凸部１９ａは、ガス拡散層１５（アノード１３または電解質膜１１）を押圧し、凹部１９ｂは、ガス拡散層１５との間にガス拡散層１５（アノード１３）に対して燃料ガスを給排するためセル内流路１９を形成する。
【００３８】
セパレータ６，７は、その外周近くの互いに対応する位置に、孔部１０３〜１０６を備えている。セパレータ６，７を、ＭＥＡ５およびガス拡散層１４，１５と共に積層して燃料電池を組み立てると、積層された各セパレータ６，７の対応する位置に設けられた孔部は、互いに重なり合って、積層方向に燃料電池内部を貫通する流路を形成する。具体的には、孔部１０３は、酸化ガス供給マニホールドを形成し、孔部１０４は、酸化ガス排出マニホールドを形成し、孔部１０５は、燃料ガス供給マニホールドを形成し、孔部１０６は、燃料ガス排出マニホールドを形成する。酸化ガス供給マニホールドは、セル内流路１８に酸化ガスを導入するための流路であり、酸化ガス排出マニホールドは、セル内流路１８から酸化ガスを排出するための流路である。燃料ガス供給マニホールドは、セル内流路１９に燃料ガスを導入するための流路であり、燃料ガス排出マニホールドは、セル内流路１９から燃料ガスを排出すための流路である。
【００３９】
シール部材１１０は、燃料電池セルＣＬにおいて、セル内流路１８、セル内流路１９、および、上記各マニホールド周辺に配設され、セル内流路１８、セル内流路１９、および、上記各マニホールドのガスシール性を確保する。
【００４０】
Ａ２．燃料電池セルＣＬの製造方法：
以下に本実施例の燃料電池における燃料電池セルＣＬの製造方法を説明する。この燃料電池セルＣＬの製造方法は、所定の製造者によって行われる。
【００４１】
図２は、本実施例における燃料電池セルＣＬの製造方法を示すフローチャートである。本実施例における燃料電池セルＣＬの製造方法では、製造者は、まず、ＭＥＡを製造する（ステップＳ１０）。
【００４２】
図３は、ＭＥＡの製造方法を示すフローチャートである。図４は、基材Ｋ上に触媒インクを塗工し、層状インクＳを形成した状態を示す図である。ＭＥＡの製造工程では、図３に示すように、まず、電解質（例えば、フッ素系樹脂）と、溶媒（例えば、水、アルコール等）と、触媒担持担体（例えば、白金担持カーボン）と、テフロン（登録商標）製の基材Ｋとを用意する（図３：ステップＳ１１０）。次に、電解質、溶媒、および、触媒担持担体を、混合させ、触媒インクを作成する（図３：ステップＳ１２０）。触媒インクを基材Ｋ上にデカール法で塗工して、図４に示すように、層状インクＳを形成する（図３：ステップＳ１３０）。続いて、層状インクＳ上に熱風発生装置（図示せず）により熱風を流し乾燥させ、カソードを製造する（図３：ステップＳ１４０）。層状インクＳを乾燥させる際には、乾燥させる乾燥面ＳＡを選択し、乾燥面ＳＡ上の熱風の温度、および、乾燥面ＳＡ上の熱風の風速を調整する。本実施例において、乾燥面ＳＡは、層状インクＳにおいて、基材Ｋと接する面とは反対面である。そして、アノード、および、電解質膜を用意し（図３：ステップＳ１５０）、電解質膜を、製造したカソードとアノードとで挟持することで、ＭＥＡを製造する（ステップＳ１６０）。この場合、カソード（層状インク）は、基材Ｋごと電解質膜に転写するので、乾燥面ＳＡが電解質膜と接する。以下では、カソード（層状インクＳ）において、乾燥面ＳＡの反対面を乾燥面反対面ＳＢとも呼ぶ。
【００４３】
次に、図２に示すように、製造したＭＥＡを用いて、燃料電池セルを製造する（ステップＳ１５）。具体的には、セパレータ６，７、シール部材１１０を用意し、製造したＭＥＡの周囲にシール部材１１０を配置し、それらをセパレータ６，７で挟持することにより、燃料電池セルを製造する。
【００４４】
製造した燃料電池セルのカソードに不活性ガスとしての窒素を、アノードに活性ガスとしての水素を導入し、封入する（ステップＳ２０）。燃料電池セルに導入する水素および窒素は、低加湿なガスを用いる。例えば、燃料電池セルに導入する水素および窒素の相対湿度は、０．１〜６０％の範囲内であることが好ましく、１０〜２０％の範囲内であることが特に好ましい。また、本実施例において、燃料電池セルに導入する水素および窒素の温度は、２３℃程度としている。
【００４５】
続いて、製造した燃料電池セル（ＭＥＡ）において、後述する状態推定装置１０を用いて、複数の周波数における交流インピーダンスを測定する（ステップＳ３０）。以下に具体的に説明する。
【００４６】
図５は、本実施例で用いる状態推定装置１０と燃料電池セルとの接続の様子を示す図である。まず、状態推定装置１０を、図５に示すように、配線２０およびセンシング線３０介して、製造した燃料電池セル（セパレータ６，７）と接続する。そして、状態推定装置１０から配線２０を介して燃料電池セルに複数周波数の交流電流を流し、センシング線３０を介して、状態推定装置１０で、燃料電池セルの電圧を測定し、各周波数におけるＭＥＡの交流インピーダンスを測定する。
【００４７】
図６は、燃料電池のサイクリックボルタモグラムを示す図である。縦軸が電流［Ａ］を示し、横軸が電圧［Ｖ］を示す。ステップＳ３０の工程において、状態推定装置１０は、燃料電池セルに交流電流を流す場合には、印加電圧が、図４に示すように、サイクリックボルタモグラムの電気２重層領域（約０．３〜０．５Ｖ）内の電圧となるように、電流を調整する。
【００４８】
次に、製造した燃料電池セルに対して、以下に示す複素インピーダンスプロットＶを検出する（ステップＳ４０）。図７を用いて複素インピーダンスプロットＶについて説明する。なお、複素インピーダンスプロットは、コール・コールプロットとも呼ばれる。
【００４９】
図７は、複素インピーダンスプロットＶを示す図である。図７において、縦軸は、交流インピーダンスの虚部値Ｚ２を表しており、以下では、虚部軸とも呼び、横軸は、交流インピーダンスの実部値Ｚ１を表しており、以下では、実部軸とも呼ぶ。この複素インピーダンスプロットＶは、虚部軸と実部軸とで形成される平面（以下では、複素平面とも呼ぶ）において、ステップＳ３０の工程で測定した各周波数における交流インピーダンスの実部値Ｚ１および虚部値Ｚ２との関係を示す。詳しくは、複素インピーダンスプロットＶは、複素平面において、検出した各周波数において交流インピーダンスの実部値Ｚ１および虚部値Ｚ２を表す点（以下では、インピーダンス測定点とも呼ぶ）に基づいた近似曲線である。虚部軸と実部軸とは直交する。各軸において、各スケールは、それぞれ同様の大きさとなっている。すなわち、図７において、複素インピーダンスプロットＶは、実部軸と虚部軸のそれぞれにおいて、同じだけ値が変化した時に、軸上の位置が同じだけ変化する。図７において、実線が複素インピーダンスプロットＶを示し、黒抜き四角形がインピーダンス測定点を示す。また、図７において、複素インピーダンスプロットＶには、転換点Ｐが示されている。
【００５０】
図７に示す転換点Ｐは、複素インピーダンスプロットＶにおいて、関数の性質が変わる境界点であり、すなわち、複素インピーダンスプロットＶにおいて、カソード１２のイオン伝導抵抗の影響を大きく受ける領域と、イオン伝導抵抗の影響をほとんど受けない領域との境界点である。言い換えれば、転換点Ｐは、複素インピーダンスプロットＶにおいて、接線の傾き（実部値Ｚ１に対する虚部値Ｚ２の変化量）が所定の閾値以上となった点である。この閾値は、燃料電池の具体的な設計、例えば、下記（i）〜（iii）等に基づき予め設定される。
（i）燃料電池セルにおいて、カソードの製造方法（触媒インクの分散手法、塗工方法等）。
（ii）カソード中の電解質の種類、分量、厚さ方向および面方向の分布状態。
（iii）カソード中の触媒担持担体の種類、粒径。
【００５１】
続いて、ステップＳ４０の工程で検出した複素インピーダンスプロットＶに基づいて、製造した燃料電池セル（ＭＥＡ）のカソードにおける厚さ方向の電解質分布を推定する（ステップＳ５０）。
【００５２】
図８は、複素インピーダンスプロットＶにおいて転換点Ｐ付近を拡大した図である。カソードの厚さ方向における電解質分布を推定する場合には、複素インピーダンスプロットＶにおいて、転換点Ｐよりも高周波側の所定点における接線と、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度θに基づいて、推定する。具体的には、以下の考えに基づき、推定を行う。
【００５３】
すなわち、角度θが４５°±α（α：誤差定数）の範囲内で場合には、カソードの厚さ方向において、電解質のイオン伝導抵抗がほぼ等しいと考えられ、角度θが４５°＋αよりも大きい場合には、カソードの厚さ方向において、電解質膜側における電解質のイオン伝導抵抗が低い状態であると考えられ、一方、角度θが４５°−αよりも小さい場合には、カソードの厚さ方向において、電解質膜側における電解質膜のイオン伝導抵抗が高い状態であると考えられる。誤差定数αは、微小な正の値であればよく、例えば、０．１〜１の範囲内の値をとる。
【００５４】
従って、角度θが、４５°±αの範囲内である場合には、カソードの厚さ方向において、略均一に電解質が分布していると推定し、角度θが、４５°＋αよりも大きい場合には、カソードの厚さ方向において、乾燥面反対面ＳＢ側よりも乾燥面ＳＡ側に電解質が多く分布していると推定し、角度θが、４５°−αよりも小さい場合には、カソードの厚さ方向において、乾燥面ＳＡ側よりも乾燥面反対面ＳＢ側に電解質が多く分布していると推定する。なお、上記「転換点Ｐより高周波側」とは、例えば、１０Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲をいう。
【００５５】
次に、ステップＳ５０の工程で推定した電解質分布に基づいて、製造した燃料電池セルのＭＥＡのカソードが、意図したものであるか否かを判断する（ステップＳ６０）。例えば、カソードにおいて、厚さ方向に略均一に電解質が分布した燃料電池セルを製造したい場合において、電解質分布の推定結果が、カソードの厚さ方向において、略均一に電解質が分布していると推定されると、意図した燃料電池セルが製造できたと判断する。（ステップＳ６０：Ｙｅｓ）。一方、カソードにおいて、厚さ方向に乾燥面反対面ＳＢ側よりも乾燥面ＳＡ側に電解質が多く分布した燃料電池セルを製造したい場合において、電解質分布の推定結果が、カソードの厚さ方向において、電解質が、略均一に分布していると推定されたり、乾燥面ＳＡ側よりも乾燥面反対面ＳＢ側に多く分布していると推定されると、意図した燃料電池セルが製造できていないと判断する。
【００５６】
ステップＳ６０の工程において、製造した燃料電池セルのＭＥＡのカソードが、意図したものであると判断した場合には（ステップＳ６０：Ｙｅｓ）、最後に製造した燃料電池セルを完成品の燃料電池セルＣＬとして、この製造方法を終える。
【００５７】
一方、ステップＳ６０の工程において、製造した燃料電池セルのＭＥＡのカソードが、意図したものではないと判断した場合には（ステップＳ６０：Ｎｏ）、新たなＭＥＡを製造する（ステップＳ７０）。このステップＳ６０の工程は、本発明における特徴部分であり、新たなＭＥＡの製造方法について、図９を用いて具体的に説明する。
【００５８】
図９は、新たなＭＥＡの製造方法を示すフローチャートである。この図９に示す新たなＭＥＡの製造方法は、図３に示す上記ステップＳ１０の工程におけるＭＥＡの製造方法と類似しており、ステップＳ１０の工程と同様の工程には、同じステップ番号を付して説明を省略する。
【００５９】
新たなＭＥＡの製造方法では、図９に示すように、層状インクＳを形成後（ステップＳ１３０の工程後）、上記ステップＳ５０の工程で推定した電解質分布に基づいて、層状インクＳの乾燥条件を設定する（ステップＳ１３５Ａ）。
【００６０】
ここで、乾燥条件としては、層状インクＳにおける乾燥面ＳＡの選択、乾燥面ＳＡ上の熱風の温度、および、乾燥面ＳＡ上の熱風の風速を含む。カソードの厚さ方向において、乾燥面ＳＡ側に電解質を多く分布させたい場合には、乾燥条件を以下のように設定する。すなわち、乾燥面ＳＡ上の熱風の温度を比較的高く、および／または、乾燥面ＳＡ上の熱風の風速を比較的強く設定し、乾燥面ＳＡからの溶媒の乾燥速度を早くする。このようにすれば、乾燥面ＳＡからの溶媒の蒸発を推進させることができ、蒸発に伴い電解質を乾燥面ＳＡ側に移動させ、意図通りに乾燥面ＳＡ側に電解質を多く分布させることができる。一方、カソードの厚さ方向において、乾燥面反対面ＳＢ側に電解質を多く分布させたい場合には、乾燥条件を以下のように設定する。すなわち、乾燥面ＳＡ上の熱風の温度を比較的低く、および／または、乾燥面ＳＡ上の熱風の風速を比較的弱く設定し、乾燥面ＳＡからの溶媒の乾燥速度を遅くする。このようにすれば、乾燥面ＳＡからの溶媒の蒸発を抑制することができ、蒸発に伴う電解質の移動を抑制し、意図通りに乾燥面反対面ＳＢ側に電解質を多く分布させることができる。
【００６１】
従って、ステップＳ１３５Ａの工程において、例えば、カソードの厚さ方向に略均一に電解質が分布した燃料電池セルを製造したい場合であって、電解質分布の推定結果が、カソードの厚さ方向において、乾燥面反対面ＳＢ側に電解質が多く分布していると推定された場合には、乾燥面ＳＡを選択し、乾燥面ＳＡ上の熱風の温度を前回の燃料電池セルの製造時よりも高く、および／または、乾燥面ＳＡ上の熱風の風速を前回の燃料電池セルの製造時よりも強く設定する。また、例えば、カソードの厚さ方向に略均一に電解質が分布した燃料電池セルを製造したい場合であって、電解質分布の推定結果が、カソードの厚さ方向において、乾燥面ＳＡ側に電解質が多く分布していると推定された場合には、乾燥面ＳＡを選択し、乾燥面ＳＡ上の熱風の温度を前回の燃料電池セルの製造時よりも低く、および／または、乾燥面ＳＡ上の熱風の風速を前回の燃料電池セルの製造時よりも弱く設定する。
【００６２】
図１０は、層状インクＳにおける乾燥条件の例を示す図である。また、図１１は、層状インクＳにおいて、乾燥条件を調整することによって、厚さ方向の電解質分布をコントロールできることを確認するための確認試験の結果を表す図である。この確認試験では、図１０に示すように、乾燥面ＳＡ上の熱風風速が一定で、乾燥面ＳＡ上の熱風温度を変化させた乾燥条件１〜乾燥条件３を有するパターンＡと、乾燥面ＳＡ上の熱風温度が一定で、乾燥面ＳＡ上の熱風風速を変化させた乾燥条件３〜乾燥条件６を有するパターンＢとに分けて、試験を行った。なお、パターンＡにおいて、乾燥面ＳＡ上の熱風温度は、乾燥条件１＞乾燥条件２＞乾燥条件３となっており、パターンＢにおいて、乾燥面ＳＡ上の熱風風速は、乾燥条件６＞乾燥条件５＞乾燥条件４となっている。
【００６３】
図１１（Ａ）は、パターンＡの試験結果を示している。詳しくは、乾燥条件１〜乾燥条件３の各条件で乾燥させたカソード（層状インクＳ）を用いて製造された燃料電池セルの各複素インピーダンスプロットを表している。乾燥条件１における燃料電池セルにおいて、インピーダンス測定点を黒抜き三角形で、複素インピーダンスプロットを実線で表し、乾燥条件２における燃料電池セルにおいて、インピーダンス測定点を黒抜き四角形で、複素インピーダンスプロットを点線で表し、乾燥条件３における燃料電池セルにおいて、インピーダンス測定点を黒抜き円形で、複素インピーダンスプロットを一点鎖線で表している。
【００６４】
図１１（Ｂ）は、パターンＢの試験結果を示している。詳しくは、乾燥条件４〜乾燥条件６の各条件で乾燥させたカソード（層状インクＳ）を用いて製造された燃料電池セルの各複素インピーダンスプロットを表している。乾燥条件６における燃料電池セルにおいて、インピーダンス測定点を黒抜き三角形で、複素インピーダンスプロットを実線で表し、乾燥条件５における燃料電池セルにおいて、インピーダンス測定点を黒抜き四角形で、複素インピーダンスプロットを点線で表し、乾燥条件４における燃料電池セルにおいて、インピーダンス測定点を黒抜き円形で、複素インピーダンスプロットを一点鎖線で表している。
【００６５】
この確認試験の結果、以下の通りとなった。図１１（Ａ）に示すパターンＡの試験結果が示すように、層状インクＳにおいて、乾燥面ＳＡ上の熱風温度が高くなるほど、複素インピーダンスプロットにおける実部値Ｚ１に対する虚部値Ｚ２の変化量が大きくなっている。すなわち、層状インクＳにおいて、乾燥面ＳＡ上の熱風温度が高くなるほど、上記角度θが大きくなり、乾燥面ＳＡ側に電解質が多く分布している。また、図１１（Ｂ）に示すパターンＢの試験結果が示すように、層状インクＳにおいて、乾燥面ＳＡ上の熱風風速が強くなるほど、複素インピーダンスプロットにおける実部値Ｚ１に対する虚部値Ｚ２の変化量が大きくなっている。すなわち、層状インクＳにおいて、乾燥面ＳＡ上の熱風風速が強くなるほど、上記角度θが大きくなり、乾燥面ＳＡ側に電解質が多く分布している。従って、上述のステップＳ１３５Ａの工程において、上記のごとく、乾燥条件を調整することによって、厚さ方向の電解質分布をコントロールする手法について、妥当であるといえる。
【００６６】
続いて、ステップＳ１３５Ａの工程後、設定した乾燥条件となるように、熱風発生装置を調整し、層状インクＳを乾燥させ、新たなカソードを製造する（ステップＳ１４０Ａ）。そして、アノード、および、電解質膜を用意し（ステップＳ１５０）、電解質膜を、製造した新たなカソードとアノードとで挟持することで、新たなＭＥＡを製造する（ステップＳ１６０）。この場合、ステップＳ１０の工程と同様に、新たなカソードは、基材Ｋごと電解質膜に転写するので、乾燥面ＳＡが電解質膜と接する。
【００６７】
ステップＳ７０の工程で、新たなＭＥＡを製造後、このＭＥＡを用いて、新たな燃料電池セルを製造する（図２：ステップＳ８０）。具体的には、セパレータ６，７、シール部材１１０を用意し、新たに製造したＭＥＡの周囲にシール部材１１０を配置し、それらをセパレータ６，７で挟持することにより、新たな燃料電池セルを製造する。その後、ステップＳ２０〜ステップＳ６０の工程にリターンし、意図する燃料電池セル（ＭＥＡ）が製造できるまで（ステップＳ６０：Ｙｅｓとなるまで）、ステップＳ７０およびステップＳ８０の工程を繰り返す。
【００６８】
以上のように、本実施例の燃料電池セルの製造方法は、製造した燃料電池セルにおいて、各周波数における交流インピーダンス（複素インピーダンスプロットＶ）に基づいて、カソードの厚さ方向の電解質分布を推定し、その推定結果が、意図する分布状態でない場合には、推定結果に基づいて、新たにカソードを製造し直し、新たな燃料電池セルを製造するようにしている。このようにすれば、厚さ方向における電解質の分布状態が意図する分布状態であるカソードを有する燃料電池セルを製造することができる。
【００６９】
本実施例の燃料電池セルの製造方法は、製造した燃料電池セルにおいて、カソードの厚さ方向の電解質分布が意図する分布状態でない場合には、前回の燃料電池セル製造時における層状インクＳの乾燥条件、および、カソードの厚さ方向の電解質分布の推定結果に基づいて、新たに乾燥条件を設定し、その乾燥条件で新たな燃料電池セル（カソード）を製造するようにしている。このようにすれば、カソードの厚さ方向における電解質の分布を意図する分布状態となるように、コントロールすることができる。
【００７０】
本実施例の燃料電池セルの製造方法では、複素インピーダンスプロットＶに基づいて、詳しくは、複素インピーダンスプロットＶにおける転換点Ｐよりも高周波側の所定点における接線と、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度θに基づいて、製造したカソードにおける厚さ方向の電解質の分布を推定するようにしている。このようにすれば、製造した燃料電池セルを分解することなく、カソードにおける厚さ方向の電解質の分布状態を正確に推定することができる。
【００７１】
本実施例の燃料電池セルの製造方法では、燃料電池セルに交流電流を流す場合、サイクリックボルタモグラムの電気２重層領域の電圧を印加するようにしている。このようにすれば、各周波数における交流インピーダンスに基づいて、製造したＭＥＡの状態を正確に推定することができる。
【００７２】
本実施例の燃料電池セルの製造方法では、製造した燃料電池セルに導入する水素および窒素は、相対湿度が、低湿度なガスを用いるようにしている。このようにすれば、製造した燃料電池セルのＭＥＡの抵抗値を高くすることができ、複素インピーダンスプロットが直線状になることを抑制することができ、その結果、カソードの厚さ方向における電解質分布を正確に推定することができる。
【００７３】
Ｂ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下のような変形も可能である。
【００７４】
Ｂ１．変形例１：
上記実施例の燃料電池セルの製造方法において、製造した燃料電池セルのカソードの厚さ方向における電解質分布を推定する場合に、複素インピーダンスプロットＶにおいて、転換点Ｐよりも高周波側の所定点における接線と、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度θに基づいて、推定するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、複素インピーダンスプロットＶにおいて、転換点Ｐよりも高周波側の複数の点により求まる直線（例えば、２点を結んだ線、３点の近似直線等）と、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度θに基づいて、カソードの厚さ方向における電解質分布を推定するようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
【００７５】
Ｂ２．変形例２：
上記実施例の燃料電池セルの製造方法において、カソード１２の厚さ方向における電解質分布を推定する場合に、複素インピーダンスプロットＶにおいて、転換点Ｐよりも高周波側の所定点における接線と、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度θに基づいて、推定するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、複素インピーダンスプロットＶにおける転換点Ｐに対応する周波数より高い周波数（例えば、１０Ｈｚ〜１ｋＨｚ）に対応する複数のインピーダンス測定点により求まる直線（例えば、２点を結んだ線、３点の近似直線等）と、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度θに基づいて、カソード１２の厚さ方向における電解質分布を推定するようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
【００７６】
Ｂ３．変形例３：
上記実施例の燃料電池セルの製造方法では、製造した燃料電池セルにおいて、各周波数における交流インピーダンス（複素インピーダンスプロットＶ）に基づいて、カソードの厚さ方向の電解質分布を推定し、その推定結果が、意図する分布状態でない場合には、推定結果に基づいて、新たにカソードを製造し直し、新たな燃料電池セルを製造するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、製造した燃料電池セルにおいて、各周波数における交流インピーダンス（複素インピーダンスプロットＶ）に基づいて、アノードの厚さ方向の電解質分布を推定し、その推定結果が、意図する分布状態でない場合には、推定結果に基づいて、新たにアノードを製造し直し、新たな燃料電池セルを製造するようにしてもよい。この場合、複素インピーダンスプロットＶの検出は、燃料電池セルのアノードに不活性ガスとしての窒素を、カソードに活性ガスとしての水素をそれぞれ導入した状態で、行う。このようにすれば、厚さ方向における電解質の分布状態が意図する分布状態であるアノードを有する燃料電池セルを製造することができる。
【００７７】
Ｂ４．変形例４：
上記実施例の燃料電池セルの製造方法では、燃料電池セルのアノードに活性ガスとしての水素を、カソードに不活性ガスとしての窒素をそれぞれ導入した状態で、複素インピーダンスプロットＶを検出するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、燃料電池セルのアノードにも不活性ガス（例えば、窒素）を導入し、その状態において、複素インピーダンスプロットＶを検出するようにしてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。
【００７８】
Ｂ５．変形例５：
上記実施例の燃料電池セルの製造方法では、燃料電池セルに導入する水素および窒素は、相対湿度が、６０％より高いガスを用いるようにしてもよい。このようにしても上記実施例の少なくとも効果の一部を奏することができる。
【００７９】
Ｂ６．変形例６：
上記実施例の燃料電池セルの製造方法において、カソードを製造する際であって、層状インクＳを乾燥させる場合の乾燥条件として、乾燥面ＳＡ上の相対湿度を含むようにしてもよい。この場合、乾燥面ＳＡに熱風を流すのではなく、乾燥面ＳＡ上に乾燥促進剤（例えば、シリカゲル等）を配置し、乾燥促進剤の量で、相対湿度を調整すればよい。そして、例えば、カソードの厚さ方向において、乾燥面ＳＡ側に電解質を多く分布させたい場合には、乾燥面ＳＡ上に大量の乾燥促進剤を配置する。このようにすれば、乾燥面ＳＡからの溶媒の蒸発を推進させることができ、蒸発に伴い電解質を乾燥面ＳＡ側に移動させ、乾燥面ＳＡ側に電解質を多く分布させることができる。一方、カソードの厚さ方向において、乾燥面反対面ＳＢ側に電解質を多く分布させたい場合には、乾燥面ＳＡ上の乾燥促進剤を少なくする。このようにすれば、乾燥面ＳＡからの溶媒の蒸発を抑制することができ、蒸発に伴う電解質の移動を抑制し、乾燥面反対面ＳＢ側に電解質を多く分布させることができる。
【００８０】
Ｂ７．変形例７：
上記実施例の燃料電池セルの製造方法において、新たなＭＥＡ（カソード）を製造する際、カソードの厚さ方向の電解質分布の推定結果に基づいて、乾燥条件を調整し、新たなＭＥＡ（カソード）を製造するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、新たなＭＥＡ（カソード）を製造する際、カソードの厚さ方向の電解質分布の推定結果に基づいて、乾燥条件以外の他の製造条件（例えば、触媒インクの塗工条件など）を調整し、新たなＭＥＡ（カソード）を製造するようにしてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。
【００８１】
Ｂ８．変形例８：
上記実施例の燃料電池セルの製造方法は、所定の製造者が行うようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。製造者の代わりに、例えば、オートメーション装置に行わせるようにしてもよい。このようにすれば、自動化によって、簡便に意図する燃料電池セルを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池における燃料電池セルＣＬの概略構成を示す図である。
【図２】上記実施例における燃料電池セルＣＬの製造方法を示すフローチャートである。
【図３】ＭＥＡの製造方法を示すフローチャートである。
【図４】基材Ｋ上に触媒インクを塗工し層状インクＳを形成した状態を示す図である。
【図５】本実施例で用いる状態推定装置１０と燃料電池セルとの接続の様子を示す図である。
【図６】燃料電池のサイクリックボルタモグラムを示す図である。
【図７】複素インピーダンスプロットＶを示す図である。
【図８】複素インピーダンスプロットＶにおいて転換点Ｐ付近を拡大した図である。
【図９】新たなＭＥＡの製造方法を示すフローチャートである。
【図１０】層状インクＳにおける乾燥条件の例を示す図である。
【図１１】層状インクＳにおいて乾燥条件を調整することによって厚さ方向の電解質分布をコントロールできることを確認するための確認試験の結果を表す図である。
【符号の説明】
【００８３】
５…ＭＥＡ
６，７…セパレータ
１０…状態推定装置
１１…電解質膜
１２…カソード
１３…アノード
１４，１５…ガス拡散層
１８…セル内流路
１９…セル内流路
２０…配線
３０…センシング線
１０３〜１０６…孔部
１１０…シール部材
Ｋ…基材
Ｓ…層状インク
Ｖ…複素インピーダンスプロット
Ｐ…転換点
ＳＡ…乾燥面
ＳＢ…乾燥面反対面
ＣＬ…燃料電池セル
【図１】
2010108744.tif 000003
【図２】
2010108744.tif 000004
【図３】
2010108744.tif 000005
【図４】
2010108744.tif 000006
【図５】
2010108744.tif 000007
【図６】
2010108744.tif 000008
【図７】
2010108744.tif 000009
【図８】
2010108744.tif 000010
【図９】
2010108744.tif 000011
【図１０】
2010108744.tif 000012
【図１１】
2010108744.tif 000013